一种使用探地雷达实现非金属管道内堵塞点的定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及应用地球物理勘探领域，具体地说是一种使用探地雷达实现非金属管 道内堵塞点的定位方法
【背景技术】
[0002] 在市政工程给排水管道中常遇见这样工程问题：地下埋设的非金属管道被堵塞， 需要准确定位堵塞点，以便进行下一步的修复、整改等工程。为进行准确有效的定位工作， 传统可用的地球物理方法有高密度电阻率法、声波法、压力法等等。
[0003] 高密度电阻率法采用往地下供电，建立人工电场，利用岩土的电差异在地表的电 位差，来达到划分岩性地层分层、导找岩溶土洞、判别地下含水层和确定地质灾害成因等作 用，同时也应用于古文物探测，地下人防工程探测等工程中。高密度电阻率法专门用于定位 管道堵塞，并没有现成成熟的方案。高密度电阻率法的理论基础是静电场理论，以探测目标 体和周围介质存在电电阻率差异为物理前提。因此，对于非金属管道堵塞定位问题，高密度 电阻率法只能应用于地下非金属管道堵塞定位，通过电阻率测定，确定管道内空腔大小突 变点。高密度电阻率法可以实现地下非金属管道堵塞定位，缺点是设备庞大，供电电极较 多，成本高，数据通常需要带回室内进行分析，才能给出相关结论。
[0004] 声波探测是利用岩石弹性的一种地球物理探测方法，它利用频率很高的声波和超 声波，对岩体进行探测。声波法用于定位非金属管道堵塞点是利用声发射技术对液体管道 堵塞进行检测，分析了管道发生堵塞后对声场的影响及检测信号特点对堵塞点进行定位。 缺点是利用声波检测，必须打开非金属管道两端，将收发设备置于管道两端，对于埋地非金 属管道应用可能性很小。
[0005] 压力法检测管道堵塞点，是利用管道堵塞前后两端压差的剧烈变化来检测管道的 堵塞。同声波法一样，该方法对于地上油气输送管道具有检测作用。对于地下管道，则无法 布置两端收发设备，难以实施检测工作。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提供一种使用探地雷达实现非金属 管道内堵塞点的定位方法，以期能实现非金属管道内堵塞点的快速定位，降低检测成本，简 化现场的检测试验难度，从而提高工作效率。
[0007] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0008] 本发明一种使用探地雷达实现非金属管道内堵塞点的定位方法，所述非金属管道 内包含流动液体；其特点是按如下步聚进行：
[0009] 步骤1 :利用探地雷达按照所述非金属管道的走向对所述非金属管道内堵塞段进 行逐行垂直扫描，获得L条扫描线，每条扫描线包含N个扫描点；每个扫描点包含Μ个采样 点数；从而获得所述非金属管道内堵塞段的测试数据υΜΧΝΧ?= ，…，，…UJ办表示 第1条扫描线；1彡1彡L;并有?/; 匕…，<表示第1条扫描线仏的第η个 扫描点；1 <η<N;并有t #表不第1条扫描线Ui的第η个 扫描点t中第m个采样点；1彡m彡Μ;
[0010] 步骤2 :初始化
；从而获得第1条扫描线A的第η个扫描点};ζ;
[0011] 步骤3、截取所述第1条扫描线Α的第η个扫描点 < 的自然谐振响应波段 € =丨矿，对％··_尤卞1 <G<Μ; 表示第1条扫描线的第η个扫描点g中所述非 金属管道内液面的反射波中第一个波峰采样点；式"表示第1条扫描线A的第η个扫描点 巧中所述非金属管道内液面的反射波完全衰减时的采样点；
[0012] 步骤4 :提取所述第1条扫描线Α的第η个扫描点^的自然谐振响应波段f的极 点谐振频率，从而获得第1条扫描线A的第η个扫描点的谐振频差4^
[0013] 步骤5 :根据水位和极点谐振频率走势关系图，利用所述谐振频差Δ/,'丨进行插值获 得所述第1条扫描线A的第η个扫描点:的所对应的水位< :
[0014] 步骤6、利用式（1)获得所述第1条扫描线A的第η个扫描点#的管径水位比4 :
[0016] 式（1)中，D表示所述非金属管道的直径；
[0017] 步骤7 :将1+1赋值给1 ;重复步骤2~步骤6,直到1 >L为止，从而获得所述非 金属管道第η个扫描点的管径水位比序列r" =·^，r"2,^
[0018] 步骤8 :根据所述L条扫描线和第η个扫描点的管径水位比序列rn，绘制1~^关 系曲线，根据所述1~rn关系曲线获得水位突降点#，以所述水位突降点r,f所对应的第p条 扫描线所在的位置作为所述非金属管道的堵塞点。
[0019] 本发明所述的使用探地雷达实现非金属管道内堵塞点的定位方法的特点也在 于：
[0020] 所述探地雷达的天线中心频率f。是通过式（2)获得：
[0022] 式⑵中，\表示管道周围相对介电常数，dep表示所述非金属管道的埋深；D表 示所述非金属管道的直径。
[0023] 所述步骤4是按如下步骤进行：
[0024] 步骤1 :根据所述自然谐振响应波段C=丨#,对n，…构造Hankie矩阵虞; 所述Hankie矩阵成的大小为（G-F)X(F+l) ;F表示束参数，F=G/μ;μe[2, 3];
[0025] 步骤2 :对所述矩阵1?进行奇异值分解，获得矩阵{4、对角矩阵2|和矩阵
[0026] 所述矩阵的大小为（G-F)X(G-F);所述矩阵￡/丨的每一列为丨坨f的正交特 征向量；
[0027] 所述矩阵< 的大小（F+1)X(F+1);所述矩阵< 的每一列为//丨,的正交特征 向量；
[0028] 所述对角矩阵的大小为（G-F)X(F+1)
表示所述对角矩阵笔中第k个对角元素；K=min((G-F)，（F+1)) ; 1彡k彡Κ;
[0029] 步骤3:对所述对角矩阵2^进行降噪处理，获得秩为W的新对角矩阵 1彡W彡K;并使得所获得的新对角矩阵(Σj中第k个对角元素σk满足式（3):
[0031] 式（3)中，II表示给定噪声控制阀值；
[0032] 步骤4 :由所述W个对角元素所对应的特征向量构成滤波矩阵;删除所述滤波 矩阵的最后一行元素形成矩阵V/;删除所述滤波矩阵的第一行元素形成矩阵^';
[0033] 步骤5 :根据所述新对角矩阵和自然谐振响应波段5 ···，#}构 造Hankie矩阵YJPY2;并使得YJPY2分别满足式（4)和式（5):
[0036] 步骤6 :利用式（6)获得矩阵Q :
[0037] Q = Y；Y2 (6)
[0038] 式（6)中，Υ/表示所述矩阵Υ啲广义逆矩阵；
[0039] 步骤7:利用最小二乘法对所述矩阵Q进行求解，获得特征值序列{Zl，z2，~ ，ζτ，…，ζρ} ;ζτ表示第τ个特征值；ρ表示有效极点的个数；1彡τ彡ρ;
[0040] 步骤8 :获得第τ个特征值的极点（α"ωτ);从而获得ρ个特征值的极点；
[0041] 步骤9、利用式（7)获得第τ个特征值的谐振频率，从而获得ρ个特征值的谐 振频率：
[0042] ?τ= ω τ/(23?) (7)
[0043]步骤10、利用式（8)获得所述ρ个特征值的谐振频率的平均相邻谐振频差::
[0045]所述步骤8中的水位突降点是按如下步骤获得：
[0046] 步骤1 :利用式（9)对所述第η个扫描点的管径水位比序列rn中的第a个元素进 行向后差分计算，从而获得第a个元素Ba，1 <a<L-1 :
[0047] Ba=Cl~r^(9)
[0048] 步骤2 :重复步骤1，从而获得序列取，B2,…，Ba,…，J;
[0049]步骤3:求所述序列{^，B2，…，Ba，…，J中最大绝对值所对应的扫描点即为所 述水位关降点。
[0050] 与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
[0051] 1、本发明使用探地雷达来定位非金属管道堵塞点，通过探地雷达扫描非金属管道 获取数据，使用雷达波在管内空腔极点谐振频率的计算算法获得堵塞点，方法实现成本低， 效率高。
[0052] 2、本发明现场检测只使用了探地雷达设备，劳动强度小，检测人员外业工作轻松； 克服了现有技术中高密度电阻率法设备庞大，声波法、压力法等方法需要管道两端布置收 发设备，安装和调试困难等问题。
[0053] 3、本发明所使用的方法，由于只需探地雷达获取数据和雷达波在管内空腔极点谐 振频率的计算算法，检测成本有较大的节省，克服了现有技术中高密度电阻率法、声波法、 压力法等方法造成的现场作业量大，工时多，成本较大等缺点。
[0054] 4、本发明所使用的方法，雷达波在管内空腔极点谐振频率的计算算法